彩色PDP显示系统的驱动集成电路 - 全文

　　近年来，彩色PDP技术不断取得进步，采用彩色PDP的大型壁挂式电视、HDTV和适用于多媒体显示的大型显示设备都已接近完成。1995年以来，世界各大厂商相继建线投产各种类型的彩色PDP。这些成绩的取得，不仅仅归功于彩色PDP显示屏本身的开发成功及生产技术的建立，更重要的应当归功于驱动集成电路技术的发展。对于一个性能良好的PDP彩色电视来说，其驱动集成电路系统占总成本的70～80%。

　　彩色PDP显示屏按其结构的不同可分为两种类型，即交流型彩色PDP和直流型彩色PDP（AC型和DC型）。按驱动方式又可分为行顺序制驱动方式和存储驱动方式两种。

　　彩色PDP是主动发光器件，其亮度与各个像素的发光时间成正比。一般情况下，在进行矩阵平面的行顺序驱动时，随着扫描线数据的增加，其亮度会下降。因此，不管是AC或DC彩色PDP，都采用存储式驱动来增加实际的发光时间，从而实现高亮度。

　　存储式驱动方式基本上由写入、发光维持和擦除三个周期组成，驱动集成电路的作用是给彩色PDP施加定时的、周期性的脉冲电压和电流。

　　为此，彩色PDP的驱动集成电路有两组：第一组是处理显示数据的寻址驱动器，也叫列驱动器；第二组是负责写入时扫描和维持放电的扫描驱动器，也叫行驱动器。

　　本文着重介绍SN、μPD系列彩色等离子体显示板的几种驱动集成电路，同时，也将介绍三电及结构的驱动电路。

　　1 彩色PDP驱动集成电路结构及性能

　　1.1 结构特性

　　图1为彩色PDP驱动集成电路的基本结构。

       通常将驱动器内部结构分为两部分：一是逻辑电路，用于控制显示屏信号和处理显示数据；二是驱动电路，用于将信号电平移位和对显示屏施加发光所需的脉冲。尤其是驱动部分，要使彩色PDP进行气体放电，必须提供高电压，所以这种结构需要特殊的集成电路工艺技术，这一点和一般的逻辑集成电路不同，具体的特殊性能如下：

　　●高耐压输出

　　彩色PDP驱动器的耐高压输出能力是其最重要而且是最基本的性能，这完全是由彩色PDP本身的结构特性所决定的。因此，要求彩色PDP的制造者和半导体集成电路的制造者必须建立紧密合作的关系，以便共同开发彩色PDP的驱动集成电路。

　　目前的驱动器已能确保彩色PDP的需求。随着彩色PDP本身结构的改善，所需的驱动电压会下降，同时，驱动器的开发也在向着最优化的方向发展。

　　以AC-PDP为例，寻址驱动的输出耐压为60～100V，输出电路同步源和漏电流都在10～30mA之间，扫描驱动器的输出耐压为150～200V，输出源、漏电流均为200～400mA，其输出电流大都取决于所采用的显示屏的尺寸以及所驱动的显示屏电极上所施加的切换脉冲。

　　●逻辑部分

　　驱动器的逻辑部分的性能通常用移位寄存器（将串行信号变换为并行信号的电路）的最大时钟工作频率fmax来表示。在CMOS逻辑电路中，栅极长度（L）越小，fmax越大，因此，集成电路芯片的面积和电路的功耗越小越有利。

　　目前，实用的驱动器逻辑部分的栅极长度L为1.0～2.5μm，fmax为20～36MHz。这样的速度，对于HDTV和高精度的数据显示所必要的寻址驱动器而言，完全可以满足其数据移位的要求。

　　●彩色PDP驱动集成电路的功耗

　　为了有效地发挥平面显示彩色PDP的特性，设计时应将与显示无关的其它电子元器件的功耗设计得尽可能小。因为驱动器本身的功耗会给整个彩色PDP的显示性能带来影响。

　　彩色PDP的电流部分的功耗大致分为三部分：（1）逻辑部分；（2）电平移位寄存器；（3）高压驱动部分。这三部分都应降低功耗。正常情况下，逻辑部分功耗在20mW以下（高耐压64路输出启动显示板），电平移位寄存器部分应在200mW以下。至于因显示屏电容部分的充放电而产生的高压驱动电路的无效功耗，目前利用功率分散驱动方式（采用电流开关电路等）已经能够在100脚塑料封装的自然散热条件下满足彩色PDP的显示需求。

　　●串扰现象

　　高耐压CMOS驱动集成电路在系统中常常会出现相互串扰的现象。如图2所示，彩色PDP屏包括高压在内一共有四组以上的电源系统。只要驱动电路使它们工作，就会产生很大的串扰噪声，在系统间造成相互影响。此外，作为驱动区负载的彩色PDP显示屏，在放电时和非放电时的状态也截然不同，这也助长了串扰现象的发生。

　　为了克服串扰现象，彩色PDP的驱动集成电路在设计和工艺上比普通的集成电路采取了更为严格的控制措施。例如，在开发集成驱动电路的同时开发特殊的耐高压工艺，对于集成电路上的元器件结构设计和电路布局等，也都给予了特殊地注意。另外，还要尽可能地抑制集成电路内的电容，切断可能产生半导体开关元件作用的总线等。

　　●功率回收

　　在彩色PDP的驱动过程中，需要尽可能地减少对发光无用的功耗。除了放电能量向发光能量转换产生的损耗外，无效功率主要来自电极的电阻部分和电容的充放电。上述两种寄生负载——电阻分量和电容分量的值是显示器本身固有结构所决定的。从驱动器方面来改善电阻分量是不可能的。但是，对于电容充放电的电能，驱动器可以设法回收一部分，这样，可以在驱动器内部设计功率回收电路，但要求在进行回收时，驱动集成电路本身不能产生寄生负载。

　　●电源顺序

　　在彩色PDP系统中，一共有四组以上的电源（其中包括高压电源）共处在一个系统之中，电源依照规定时刻同步工作。在系统设计时，对于电源接通的顺序以及发生错误工作时的保护等问题都要予以仔细地考虑。尤其是直接与彩色PDP显示屏相连接的驱动器，如果发生错误动作，则不仅会破坏集成电路本身，甚至会毁坏显示屏以致整个系统。因此，驱动器应当具备故障保护功能以及顺序断开电源的功能。

　　1.2 PDP驱动集成电路

　　a.寻址驱动集成电路SN755831

　　图3给出寻址驱动集成电路SN755831的内部功能方框图，表1为其技术参数。

　　该驱动器具有64个端口，三态，最大耐压160V输出，其逻辑电路全部由5V CMOS器件构成，可以直接输入来自彩色PDP信号处理系统的数据。

　　另外，利用集成电路的内部控制可消除高压开关时的穿透电流；SN755831利用TSC端子可以完成输出的高阻抗模式。由于采用了介质分离工艺，从而使SN755831内部的输出嵌位二极管可避免串扰现象。

　　b.扫描驱动器SN755834

　　图4是最大耐压为210V的64端口扫描驱动器SN755834的内部方块图，表2为其主要参数。作为扫描驱动器，其输出耐压足以驱动100cm级的显示屏。另外，SN75834具有200mA漏线电流能力以及400mA的输出电流二极管。

　　表1 SN755831的技术参数

　　表2 扫描驱动器SN755834的要参数

　　SN755834的自身功耗非常低，在100脚塑料封装的条件下，完全可以驱动处于自然冷却状态下的彩色PDP显示屏。

　　2 SN系列PDP驱动集成电路

　　驱动器SN75551/75552和SN75553/75554的逻辑框图分别如图5和图6所示，SN75551和SN75552是扫描方向的驱动器，两者的性能完全一样，只是输出引脚排列顺序相反；SN75553/75554是送数据方向的驱动器，它们之间也只是引脚排列顺序不同。

　　复合脉冲的作用一是提供整屏的刷新脉冲电压，二是提供扫描行的半选电压。它是影响显示性能的主要因素之一。复合脉冲波形的电压较高、瞬间电流大，且不能有太大的过冲电压，否则会超过显示屏的饱和区和驱动器的安全工作范围。采用高压场效应管组成复合推挽电路产生的高压脉冲可满足显示驱动负载的要求。

　　利用TI公司的专用集成电路SN75500和SN75501可以实现“一次一行”的选址方式。

       2.1 Y方向（扫描方向）驱动

　　扫描方向驱动是采用SN75500来扫描要书写信息的电极。特殊组的选择S0、S1一旦确定，该组的8位输出就决定于8位存贮器的数据。另外，电路设计时一般将SN75500悬浮在约120V的高压方波上。当选中其行时，首先利用SN75500上约80V的高压脉冲来擦除该行信息，然后输出写信息的半选脉冲，此时一旦送数方向上的SN75501输出写脉冲，所对应的点即被写上，否则该点仅加上一半的写脉冲而不被写上。

　

     2.2 X方向（送数）驱动

　　X方向驱动是采用SN75501集成电路来驱动送数方向的电极，利用集成电路本身所具有的维持功能可以使X电极上在没有数据时只产生维持脉冲。在有数据到来时，根据数值为0或1来确定不产生或产生书写脉冲。数据以串行方式输入可极大地减少数据线。

    2.3 控制电路及计算机接口

　　控制电路胳膊于协调扫描及送数的同步，并产生各种扫描及送数脉冲，同时产生顺序地址，顺次地取出刷新存贮器中的信息并经过并/串转换电路送至SN75501驱动器；另外还可用于协调CPU与顺序地址同时访问双口存储器的操作，以使二者能以一定的协议正常工作而不发生冲突。

　　计算机接口电路的主要部分是双口存储器，该存储器的数据、地址及控制总线应分别连到Intel8031单片机的总线上。计算机接口电路中有一个端口可以切换显示器的工作状态以使显示器可以处在动态扫描方式或静态维持方式。显示器的原理框图如图7所示。

 

　　3 三电极结构的彩色等离子体显示板的驱动方法

　　AC型彩色等离子体显示板以三电极结构为主，驱动电路如图8所示。该结构包括两个维持电极（即X-电极和Y-电极）和呈空间正交的选址电极。X-电极同功率分配器相连，Y-电极同扫描驱动集成电路相连。选址电极连选址驱动集成电路以接受信息进行写入。驱动集成电路分成逻辑部分和高压转化部分。前者用于处理数据，后者则根据这些数据来提升电压以达到工作电压，并产生高压和大电流。42英寸彩色等离子体显示板的驱动电路以PD3001FD3233和PD3001FD3203为主，其主要特征如下：

　　●用硅栅C/DMOS（把CMOS和DMOS复合）工艺制作，耐电压高，功耗低；

　　●使用两层金属配线技术，信号线和独立线分别用了两层金属，可实现大电流和小型化；

　　●采用100脚扁平塑料封装。

　　PD3001FD3233和PD3001FD3203内含移位寄存器、锁定电路和电平位移电路。移位寄存器主要用于把外部的串行信号变为并行数据，以使集成电路成为并行输出；锁定电路可将移位寄存器的并行输出根据锁定信号予以保存；电平位移电路用于将移位信号电平转变为高压电平，选址驱动器的输出电平为60V～120V，它可根据选址信号（STB）把锁定信号保存的数据传递到电平位移电路。

　　表3、表4分别列出了两种选址驱动器和扫描驱动器集成电路的主要规格。

　　表3 选址驱动器的主特性表

　　4 扫描驱动器的主要特性

　　4 接口电路

　　4.1 VGA接口电路

　　图9所示是由视频放大器、高速A/D变换器、数字锁相环、中央控制器、色彩校正电路和输出缓冲器等组成的VGA接口电路，它的主要功能是对模拟信号进行数字化，并提供同步和消隐等控制信号。视频放大器的主要功能是将输入的模拟RGB信号放大到A/D变换器所需的电平2V（p-p）；同时将放大后的RGB信号的墨电平嵌位到3.0V。实际上是彩用了计算机彩色显示器中常用的视频放大器LM1203，它的通带宽度为70MHz。

 

该接口电路采用了富士通视频放大器和高速变换器MB40558，其最大转换速度为40Mbps，线性误差为1.5%。实际使用的时钟频率为25.1752MHz，正好是VGA行频31.469kHz的800倍，便于分频。标准行正程时间为25.422μs，使用的时钟采样频率为25.1725MHz，可以达到640点。

　　色彩校正电路的主要作用如下：

　　（1）进行反γ校正。进行反υ校正是为了弥补CRT电光转换的非线性，目前的图像信号在传输过程中应预先进行γ校正。而PDP与CRT的发光机理不同，所以要进行反校正。

　　（2）调整PDP三基色的色域。由于PDP荧光粉是受紫外光激励而发的光，因此其色域与自然光有差异。为了使PDP显示器的图像更加逼近自然，设计时必须进行色域调整。具体电路是用EPROM以查表的方式实现的。

　　接口电路所有的控制信号均由中央处理器产生，该电路采有Altera公司的产品。设计中使用AHDL语言，不仅缩短了研制周期，还节约了逻辑部分。实际电路中使用74F574对24路RGB信号进行锁存。对同步控制信号则用74F541进行缓冲。

　　4.2 视频接口

　　视频接口电路主要由视频解码器、中央控制器、行存储器和单片机等组成，实际电路如图10所示。

　　随着数字信号处理技术的不断发展，目前已出现了许多数字式视频解码器。彩色等离子体显示板采用美国SPT公司生产的新型数字式视频解码器较为合适。该芯片可接收复合视频S-Video输入，并兼容NTSC和PAL等制式。由于芯片采取16位A/D转换器，因而图像的信噪比得到了极大地改善。数字梳状滤波器可保证图像的水平分辨率。利用单片机可控制亮度、对比度、色饱和度等图像参数，还可以选择输出图像信号的格式。解码器则用来输出水平同步（Hsync），水平消隐（Hblank），垂直同步（Vsync），垂直消隐（Vblank）和寄数行信号（ODD）等图像信号。32英寸极色等离子体显示板的分辨率为640×480线，在NTSC采样频率为12.272MHz时，每一有效象素为640个，每一帧图像的有效行为480行，奇、偶场各240行。对NTSC和PAL两制式芯片都可使用，只需经过适当的转换即可。